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浅析矿渣与粉煤灰掺量对混凝土性能的影响 韩红卫 ( 陕西省石头河水库灌溉管理局 陕西 眉县 7 2 2 3 0 0 ) 摘要本文介绍 了混凝土 中同掺粉煤灰和矿渣的必要性以及其化学成分和作用机理，并通过室内试 验， 研究得出掺和不同比例的粉煤灰、 矿渣对混凝土抗压和抗渗性能的影响。本文为进一步研 究、 配制高性能混凝土积累了一定的经验和理论基础。 关键词 混凝土； 粉煤灰； 矿渣； 性能； 影响 中图分类号： T V 4 2 + 3 文献标识码： A 混 凝土是水利工程 中用途 最广 、用 量最 大 的建 筑材料之一 ，在 现代水利工程建 设 中 占有很重要的位置。建筑、 桥梁、 水利等工程 中， 往往都是采用大体积混凝土结构 ， 这对混 凝土的抗压、抗渗等性能都提出了更高的要 求。目前， 提高混凝土强度、 抗裂、 抗渗等性能 的主要技术途径有 ： 采用较小的水胶比、 使用 适当的优质骨料、掺加经济的矿物掺合料等 方法。从长远的发展趋势来看，混凝土掺合 料、 化学外加剂的研究及应用， 逐步成为现代 混凝土技术发展的核心。 矿渣粉和粉煤灰都是工业废渣回收的产 物， 使用矿渣和粉煤灰作为混凝土的掺合料， 既 可 以节 约能源 、 保护 环境 ， 又能节 约成 本 ， 同时能够改善混凝土性能，而且带来了经济 效益 、 社 会效益 ， 为配 制高强 、 高性 能混 凝土 提供 了广 阔的前景 。 已有研 究表 明：在混凝 土 中掺用 粉煤灰 代替一定量水泥 ， 不仅可以降低成本 ， 而且能 提高混凝土的耐久性，延长其结构的使用寿 命； 矿渣是一种良好的潜在活性材料 ， 取代等 量水泥掺入混凝土中能显著地改善 、提高混 凝土的综合性能。因此， 本文探索性的研究在 混凝 土中 同时掺加 粉煤灰和矿渣 ，对 混凝土 性能 的影响 。 1 试验研究的方法 通过查阅资料，设计研究试验为 ：掺人 时 ，粉煤灰 和矿 渣分别 以 1 0 和 2 0 等量取 代水泥， 总掺量为2 0 和 3 0 。 三种不同掺和 比例情 况下 ， 测试 其 主要 力学性 能 ， 抗压 、 抗 渗性能。探究矿渣 、 粉煤灰在混凝土中的最佳 掺量和最优配比， 探索其内在规律 ， 使其更好 地运用于工程实践。 2试验参数的确定 2 1 原材料及各项参数 采用的水泥是陕西宝鸡扶风盾石牌普通 硅酸盐水泥， 强度等级 3 2 5 。细骨料： 渭河河 砂 ， 中砂， 细度模数 2 6 6 ， 级配良好， 堆积密度 为 1 4 8 g ，c m ，视 密 度 为 2 6 2 r n 2 ，含 泥 量 1 4 3 。粗骨料：渭河卵石，卵石为 2 0 m m一 4 0 m m 单粒级 ，视 密度为 2 5 9 g ， c m2 ，含 泥量 0 4 6 ， 吸水率为0 7 4 。所用粉煤灰： 密度为 2 0 3 m 2 ， 细度 1 3 ( 4 5 m筛余 ) 。磨细矿渣： 2 6 5 异 ， c m 2 ， 细度5 8 ( 8 0 m筛余) 。 通过查阅大量资料 ，并从改善混凝土的 性能、 降低混凝土的造价等方面综合考虑， 本 次试验研究选用 ： 水胶比为 O 4 3 ， 粉煤灰和矿 渣 对水泥 的取代率为 1 0 2 0 ，灰 渣 比为 O204。 2 2试验配合 比的确定 本文在掺人粉煤灰和矿渣时，都采用等 量取代法 ，粉煤灰 和矿 渣分别 以 1 0 和 2 0 等量取代水泥， 总掺量为 2 0 和3 0 。 设计三 个试验组和一个对照组 ( 即不掺矿渣和粉煤 灰) 。经过反复试验， 确定基准配合比( 水泥 ： 砂子 ： 石子 ： 水 = 3 7 2： 5 4 3： 1 3 2 8：1 6 o ) 。 经反复试验，同掺粉煤灰和矿渣混凝土的配 合比确定如表 1 。 3试验内容及结果分析 3 1 抗压性能试 验 抗压强 度分 析 ： 按 普通混 凝土力学性 能 试验方法 ( G B J 8 2 8 5 ) 。 本试验采用的混凝土 立方体试件模块尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 mm 。 抗压强度计算公式： Z o = ae- - 式 中 混凝土立 方体试 件抗压 强度 ( MP a ) ； P 破坏荷载； A试件承压面积( 1 1 1 1 1 1 2 ) 。 四组混凝土 7 d 、 2 8 d的抗压结果见表 2 。 数据分析 ： 当掺粉煤灰量不变时， 掺矿渣 量为 2 0 的混凝土试验 组 比掺矿渣量 为 1 0 的混凝土试验组的早期强度高， 说明矿渣能弥 补粉煤灰对混凝土早期抗压强度低的负效应； 当掺矿渣 量不变时 ，掺粉煤 灰量为 2 0 的混 凝土试验组比掺粉煤灰量为 1 0 的混凝土试 验组后期混凝土抗压强度大， 说明粉煤灰对混 凝土后期强度影响较大； 对照组试块 7 d 、 2 8 d 的抗压强度比试验组7 d 、 2 8 d 都要高 ， 说明矿 渣 的细度对抗压强度的影响比较大。 作用机理分析： 粉煤灰与矿渣微粉均为活 性矿物掺合料 ，在反应中还会生成少量的 c s H凝胶， 填充于水泥水化生成物的间隙 ， 使混凝土微观结构更加密实， 所以掺加适量的 掺合料会使混凝土强度 比不加时更高。活性 氧化铝、 氧化硅与石灰或与水泥熟料水化析出 的氢 氧化钙发生反应 ， 生成水化硅酸钙和水化 铝酸钙， 石膏与水化铝酸钙进一步反应， 生成 水化硫铝酸钙， 促进混凝土强度的增长。但粉 煤灰 与矿渣微粉 的活性有差别 ， 矿渣微粉经过 骤冷处理， 熔融的矿渣来不及结晶， 大部分形 成玻璃体结构， 具有比粉煤灰更大的化学内能 和化学活性。矿渣经过磨细后， 能使其活性较 快 的发挥 。而粉 煤灰 中 的活性 物质进行 反应 的速度相对较慢， 所以粉煤灰混凝土早期强度 明显低于矿渣微粉混凝土。另外， 矿渣微粉中 的活性物质含量高于粉煤灰， 所以矿渣微粉混 凝土中后期强度高于粉煤灰混凝土。 3 2 抗渗性能试验 抗渗性能分析： 根据 普通混凝土长期 性能和耐久性能试验方法) ( G B J 8 2 8 5 ) 的 规定测定混凝土抗渗系数，采用的抗渗试 验模块尺寸为 1 8 5 m m1 7 5 m m 1 5 0 m m。 相对 渗水系数公式 ： 式中， K，相对渗透系数 ， c m s ； H _水压力 ， 以水柱高度表示 ， e m； D 平均渗透高度， c m； T _ i 压时间 a 混 凝土的吸水率 。 取 0 0 3 。 结果见表 3 。 表 1 数据分析 ： 当掺粉煤灰量不 变时 ， 掺 矿 渣量 2 0 的混凝土试验组比掺矿渣量 1 0 的混凝土试验组的相对渗透系数大，则说 明掺矿渣量 1 0 的混凝土比掺矿渣量 2 0 的混凝土抗渗强度高； 当掺矿渣量不变时，随着粉煤灰掺量 的增大， 抗渗强度逐渐增强， 则说明粉煤灰 对混凝土抗渗性能影响比较大。 作用机理分析：影响混凝土抗渗性能 的因素很多， 主要有以下几个因素： 混凝土 的密实度 、 混凝 土空隙构造及数量 、 水灰 比 等。 矿渣的主要化学成分有氧化硅、 氧化铝 等， 具有超高活性， 将其作为掺合料掺入混 同掺粉煤灰和矿渣混凝土的配合比 水胶 比 水 粉煤灰 矿渣 水泥 砂子 石子 编号 砂 率 k g m2 k g m 2 k g m 2 k #m k g m2 k g m2 k #m Al 0 4 3 l 6 o 3 7 ( 1 0 ) 3 7 ( 1 0 、 2 9 8 5 4 3 1 3 2 8 2 9 A 2 0 4 3 1 6 6 3 7 ( 1 0 ) 7 4 ( 2 0 ) 2 7 0 8 5 3 6 3 1 3 1 1 6 2 9 A3 0 4 3 1 6 o 7 4 ( 2 0 ) 3 7 ( 1 0 ) 2 6 1 5 4 3 l 3 2 8 2 9 B ( 对 照) 0 4 3 1 6 o 3 7 2 5 4 3 1 3 2 8 2 9 注 ： 括号 内为取代 水泥的质 量百分数。 表 2 四组混凝土 7 d 、 2 8 d的抗压 结果对 比 强度值 ( sP a ) 编号 坍落度( c m) 流动性保水性 7 d 2 8 d A1 3 4 良好 2 2 9 3 5 5 A2 3 5 良好 2 3 2 3 7 O A3 3 O 良好 2 1 3 3 9 3 B 4 1 较 好 3 3 2 4 6 6 表 3 2 8 d相对渗 透系数结果对 比 编号 2 8 d相对渗透系数( c m s ) A1 1 6 5 1 0 - 1 1 A2 3 711 0 - I l A3 0 8 4 1 0 一 “ B 1 0 2 1 0 - I l 凝土 中后 ， 即可 与水 泥中硫化 、 碳水 化产生 的氢氧化钙发生反应，生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙。同时 ， 上述反应基本在水泥孔 隙中进行， 大大降低了混凝土的孔隙率， 改 变了其结构 ， 提高了混凝土的抗渗性能。 4结论 本文 以常规 的混凝 土力学理 论和研究 方法为基础 ，遵 循实践认识一 实践 的规 律 ， 对 同掺粉煤 灰和矿渣的混凝 土 ， 在标准 养护条件下的力学性能做了初步的研究、 探索。主要结论如下： ( 1 ) 同掺矿渣和粉煤灰， 在标准养护条 件下， 同龄期混凝土强度都有所降低； ( 2 ) 矿渣和粉煤灰的总掺量为 3 0 ， 以 质量 1 ： 2 同时掺加， 混凝土的抗渗强度比不 掺时的提高 2 0 左右， 二者的优势互补效 应得到体现； ( 3 ) 同掺粉煤灰 和矿渣 的试验 中 ， 矿渣 的细度和龄期对 混凝土抗渗 、抗 压性能影 响较大。 本文对 中等强 度的同掺粉煤 灰和矿渣 的混凝土的力学性能和抗渗性能作了初步 探讨 ， 仅考虑 了三种简单的掺和 比例 ， 若对 水灰比、 砂率 、 水泥用量 、 总取代率等方面 综合研究、 考虑 ， 则会得出更具一般性的规 律， 值得进一步探究。陕西水利 参考文献 【 1 】张兰芳， 矿 渣、 粉煤灰混凝土性 能试 验研 究【 D】 辽 宁工程技术 大学， 2 0 0 2 【 2 12杨华全 ， 李文伟 水工混凝 土研 究与应用 【 M 中国水利水电 出版社 ，2 0 0 5 3 王立久， 曹明莉 建筑材料新技 术【 M 中 国建材工业 出版社 ，2 0 0 7 4 蒋家奋 矿渣微粉在水泥 混凝 土 中的应 用的概述 混凝 土与水泥制品，2 0 0 2 5 】5覃 维祖 粉 煤灰在混凝土 中的应 用技 术 卟 商品混凝 土，2 0 0 6 【 6 】 姬鸿 云 低 温下混凝土力 学性 能的试验 研 究【 D 】 西北农林科技 大学， 2 0 0 3 ( 责 任 编 辑 ： 周蓓 ) (二 = - _ - C _ C C